Фамилия Килилюк звучит необычно для русского уха, и это прямой намёк на её происхождение: скорее всего, она пришла с западноукраинских или белорусских земель. Разбор фамилии логичнее начать с суффикса, а не с корня. Формант -юк — типичный украинский и белорусский патронимический суффикс, указывающий на «сына» или «потомка» человека, чьё имя или прозвище легло в основу. В этом плане Килилюк стоит в одном ряду с фамилиями вроде Гнатюк, Романюк или Василюк.

Основа фамилии — Килил. Самая прямая и правдоподобная версия — это производная форма от церковного имени Кирилл. В украинской и белорусской народной традиции имя Кирилл часто сокращалось до Килило, а уменьшительно-ласкательные варианты давали формы вроде Килиль. Чередование «р» и «л» (Кирилл → Килил) встречается в диалектах нередко, это результат упрощения произношения. Таким образом, Килилюк — это «сын Килиля», то есть потомок человека, которого в быту звали не полным именем, а домашним вариантом.

Менее вероятная, но допустимая версия — связь с диалектным словом «килил» или «килиля», которое могло означать какую-то особенность внешности или поведения. Например, в некоторых говорах «килиться» значит «кривиться», «ломаться», и прозвище Килиль могли дать человеку с необычной походкой или характером. Однако эта гипотеза слабее, так как не подкреплена широкой лексической традицией, и её стоит рассматривать только при отсутствии у семьи явной связи с именем Кирилл.

Географически фамилия Килилюк чаще всего встречается на западе Украины — в Волынской, Ровенской, Тернопольской областях, а также в приграничных районах Беларуси. В России она редка и фиксируется в основном у потомков переселенцев с этих территорий. Сословного барьера у фамилии не было: её могли носить и крестьяне, и мещане, и казаки, поскольку патронимическая модель была всесословной в украинской среде.

С точки зрения словообразования, Килилюк — яркий пример того, как простое народное сокращение имени, пройдя через суффикс, превратилось в устойчивый родовой знак. Фамилия не имеет дворянского или книжного оттенка, она бытовая, живая, и её носители, скорее всего, вели происхождение от человека по имени Килиль — сына или внука Кирилла.